Immagini sperimentali di distillazione quantistica con luce non rilevata

8 settembre 2023

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

È possibile immaginare un oggetto con un effetto di coerenza indotto utilizzando coppie di fotoni per ottenere informazioni sull'oggetto di interesse, senza rilevare la luce che lo sonda. Mentre un fotone illumina l'oggetto, viene rilevato solo il suo partner, impedendo così che le misurazioni di eventi coincidenti rivelino informazioni sull'oggetto cercato. Questo metodo può essere reso resistente anche al rumore.

In un nuovo rapporto pubblicato su Science Advances, Jorge Fuenzalida e un team di ottica applicata, ingegneria di precisione e comunicazioni teoriche in Germania hanno mostrato sperimentalmente come il metodo può essere reso resistente al rumore. Hanno introdotto un approccio distillato di imaging basato sulla modulazione interferometrica del segnale di interesse per generare un'immagine di alta qualità di un oggetto indipendentemente dai livelli di rumore estremi che superano il segnale di interesse effettivo.

L’imaging quantistico è un campo promettente che sta emergendo con validi vantaggi rispetto ai protocolli classici. I ricercatori hanno dimostrato che questo metodo funziona in diversi scenari in un regime di flusso di fotoni basso, utilizzando fotoni di sondaggio non rilevati per l'imaging a super risoluzione.

Gli scienziati possono anche sviluppare protocolli di imaging quantistico senza una controparte classica basata sull’interferenza e l’entanglement quantistici. I protocolli di imaging quantistico possono, tuttavia, essere resi resistenti al rumore. Ad esempio, la distillazione o la purificazione possono rimuovere la decoerenza introdotta dall’ambiente in un sistema quantistico.

È anche possibile implementare la distillazione dell'imaging quantistico con uno e più gradi di libertà di coppie di fotoni. In questo lavoro, Fuenzalida e il suo team hanno introdotto e verificato sperimentalmente un metodo di distillazione con imaging quantistico per rilevare solo singoli fotoni.

Il metodo di imaging quantistico con luce non rilevata (abbreviato come QIUL) offre un metodo di imaging interferometrico ad ampio campo a due fotoni. Durante questo processo, un fotone può illuminare un oggetto, mentre sulla fotocamera viene rilevato solo il fotone partner. Per inciso, il fotone che illumina l'oggetto rimane inosservato.

Il metodo offre un metodo di scoperta unico per sondare i campioni. Gli scienziati hanno poi introdotto una fonte di rumore nello schema di imaging quantistico per studiarne la resilienza e mostrare buone prestazioni anche per intensità di rumore superiori a 250 volte l’intensità del segnale quantistico.

La distillazione dell'imaging quantistico è un metodo in uso per pulire un'immagine quantistica dal rumore. Il team ha illustrato il metodo di distillazione definendo un'immagine di rumore come un segnale indesiderato sovrapposto a un'immagine quantistica sulla fotocamera. Per distillare un’immagine, Fuenzalida e il team hanno utilizzato l’olografia quantistica con luce non rilevata (abbreviata QHUL), dove le informazioni sull’oggetto venivano trasportate in uno schema di interferenza a singolo fotone. Se la differenza di intensità del metodo fosse maggiore della variazione di intensità del rumore, il team potrebbe distillare l’immagine quantistica.

Per generare coppie di fotoni mediate dall'interazione di un intenso fascio di pompa con gli atomi di un cristallo non lineare, il team ha utilizzato la down-conversion parametrica spontanea. Lo schema di imaging utilizzava un interferometro per generare una coppia di fotoni di inattività del segnale nelle modalità di propagazione in avanti e all'indietro. La variazione del rumore nell'impostazione ha contribuito alla variazione dell'intensità del segnale; dove una differenza di intensità del segnale superiore alla varianza del rumore può distillare l'immagine quantistica.

Fuenzalida e colleghi hanno implementato un apparato sperimentale utilizzando un interferometro non lineare in una configurazione di Michelson e hanno pompato un cristallo con un laser a onda continua. A causa della forte non linearità dell'esperimento, il team ha generato una coppia di fotoni tramite conversione parametrica spontanea lungo i percorsi, sebbene mai simultaneamente. Hanno separato i raggi del segnale, del tenditore e della pompa nella direzione di propagazione in avanti utilizzando specchi dicroici e si sono riflessi nel cristallo con una serie di specchi.

La fotocamera nel quadro sperimentale ha mostrato uno schema di interferenza dei fotoni del segnale, che il team ha notato come il trasferimento delle informazioni sull'oggetto ottenute dal fotone inattivo allo schema di interferenza dei fotoni del segnale. Il team ha utilizzato un laser a diodi a onda continua con una potenza di pompa variabile per introdurre rumore nel sistema e ha variato le proprietà dell'illuminazione classica, dell'intensità e della varianza per esaminare gli effetti del rumore e le prestazioni di distillazione.

Gli scienziati hanno sovrapposto immagini classiche e quantistiche per eseguire l’olografia quantistica con luce non rilevata per distillare o pulire l’immagine quantistica sotto diverse intensità di rumore. Per l’immagine quantistica, hanno utilizzato fotoni di segnale generati in un unico passaggio attraverso un cristallo, dove l’intensità del segnale non è cambiata durante gli esperimenti. Hanno caratterizzato diverse intensità di rumore sovrapponendo immagini quantistiche e classiche sulla fotocamera e, man mano che l’intensità del rumore aumentava, hanno misurato l’accuratezza dei risultati sperimentali.

I ricercatori hanno condotto un secondo esperimento per quantificare gli effetti della variazione del rumore sull'accuratezza della fase delle immagini distillate utilizzando configurazioni simili di intensità del rumore. Il comportamento sperimentale era in buon accordo con la teoria e si confrontava bene con i metodi esistenti.

In questo modo, Jorge Fuenzalida e colleghi hanno studiato l’imaging quantistico con luce non rilevata (QIUL) in un metodo di imaging interferometrico a campo ampio a due fotoni. Mentre un fotone illuminava l’oggetto di interesse e il suo partner rimaneva sulla fotocamera, il fotone illuminante non veniva rilevato. Gli scienziati hanno distillato o pulito l’immagine utilizzando l’olografia quantistica con luce non rilevata (QHUL). Hanno dimostrato il metodo di imaging sovrapponendo parzialmente o completamente una classica fonte di rumore all’immagine quantistica sulla fotocamera. Il metodo ha funzionato ogni volta, anche con intensità di rumore superiori all'intensità del segnale.

Il team ha esplorato i limiti del metodo presentando simulazioni di olografia quantistica in scenari di rumore estremo. I risultati sperimentali forniscono un passo avanti per l’imaging quantistico nei sistemi aperti anche per esaminare i limiti delle versioni innovative del rilevamento e della portata della luce basato sui quanti (LIDAR), utilizzando la luce non rilevata.

Ron Tenne et al, Miglioramento della super-risoluzione mediante microscopia a scansione di immagini quantistiche, Nature Photonics (2018). DOI: 10.1038/s41566-018-0324-z

Informazioni sulla rivista: Nature Photonics, Science Advances

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